ES2908715T3 - Método para preparar suspensiones de ánodo de baterías - Google Patents

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Abstract

Un método para preparar una suspensión de ánodo, que comprende las etapas de: 1) mezclar un dispersante con un primer disolvente para formar una solución dispersante; 2) dispersar un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión; 3) homogeneizar la primera suspensión mediante un homogeneizador para obtener una primera suspensión homogeneizada; 4) mezclar un material aglutinante con un segundo disolvente para formar una solución aglutinante; 5) dispersar un segundo agente conductor en la solución aglutinante para formar una segunda suspensión; 6) mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión; y 7) mezclar un material de carbono activo con la tercera suspensión para formar la suspensión de ánodo; en donde el primer agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, negro de carbono, negro de acetileno, Super P, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado, carbono mesoporoso y combinaciones de los mismos; en donde el tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 100 nm; en donde el tamaño de partícula del segundo agente conductor es de aproximadamente 1 μm a aproximadamente 10 μm; en donde el tamaño de partícula del material a base de silicio es de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 800 nm; y en donde el tamaño de partícula del primer agente conductor es menor que el tamaño de partícula del segundo agente conductor, estando determinados los tamaños de partícula del primer y del segundo agentes conductores y del material a base de silicio a través de análisis de difracción láser.

Description

DESCRIPCIÓN
Método para preparar suspensiones de ánodo de baterías
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de las baterías. En particular, la presente invención se refiere a métodos para preparar suspensiones de ánodo de baterías de ion litio.
Antecedentes de la invención
Las baterías de ion litio (BIL) han despertado un interés considerable en los dos últimos decenios para un amplio abanico de aplicaciones en dispositivos electrónicos portátiles, tales como teléfonos celulares y ordenadores portátiles. Debido al rápido desarrollo del mercado de vehículos eléctricos (VE) y al almacenamiento de energía de la red, alto rendimiento, las BIL de bajo coste ofrecen actualmente una de las opciones más prometedoras para dispositivos de almacenamiento de energía a gran escala.
Las características de los electrodos pueden afectar drásticamente al rendimiento y las características de seguridad de una batería. Un ánodo de una batería de ion litio convencional incluye principalmente un material de ánodo a base de carbono, tal como microesferas de mesocarbono y grafito artificial. La capacidad de almacenamiento de las baterías de ion litio convencionales es limitada, ya que la capacidad específica total de un material de ánodo a base de carbono tiene un valor teórico de 372 mAh/g. En comparación con el material de ánodo a base de carbono, un material de ánodo que contiene silicio tiene una alta capacidad específica teórica de aproximadamente 4000 mAh/g. Sin embargo, los ánodos a base de silicio tienen un ciclo de vida deficiente. Durante la carga y descarga de la batería de ion litio, los iones de litio se intercalan y desintercalan en el material del ánodo que contiene silicio, lo que da como resultado la expansión y contracción volumétrica del material de ánodo que contiene silicio. Las tensiones resultantes tienden a provocar grietas en la capa del ánodo, lo que a su vez hace que los materiales de ánodo se desprendan del electrodo y se reduzca la vida útil de la batería de ion litio. El problema del agrietamiento se vuelve más grave cuando hay agregados de partículas de silicio en el ánodo. Por lo tanto, la preparación de las suspensiones de ánodo es un primer paso básico hacia la producción de baterías de buena calidad.
La Publicación de Solicitud de Patente china N.° 104617280 A desvela un electrodo de grafeno/silicio sin adhesivo. El electrodo se prepara añadiendo polvo de silicio y un tensioactivo al agua desionizada para obtener una mezcla; dispersando la mezcla por ultrasonicación; añadiendo coloide de grafeno a la mezcla; dispersando la mezcla por ultrasonicación para obtener una suspensión; y recubriendo una lámina de cobre con la suspensión. Sin embargo, el método es complicado ya que implica etapas de introducción de grupos funcionales en el grafeno y la superficie de la lámina de cobre.
La Publicación de Solicitud de Patente china N.° 105336937 A desvela una suspensión de ánodo para baterías de ion litio y un método de preparación de la misma. El método comprende añadir polvo de nanosilicio a etilenglicol para obtener una solución dispersante; homogeneizar la solución dispersante por ultrasonicación; añadir un aglutinante, polvo de grafito y un agente conductor a un disolvente para obtener una suspensión mixta; añadir la solución dispersante en varias porciones a la suspensión mixta; y homogeneizar la mezcla para obtener la suspensión de ánodo. Sin embargo, este método es complicado y requiere mucho tiempo porque implica el enfriamiento de la solución de dispersión durante la ultrasonicación para evitar el sobrecalentamiento y la adición en porciones de la solución dispersante a la suspensión mixta.
La Publicación de Solicitud de Patente china N.° 104282881 A desvela un ánodo y un método de preparación del mismo. El método comprende preparar una solución aglutinante disolviendo poliimida en un disolvente orgánico que comprende al menos un disolvente seleccionado de N-metil-2-pirrolidona (NMP), dimetilacetamida (DMAC) y dimetilformamida (DMF); añadir un agente conductor a la solución aglutinante para obtener un líquido conductor; añadir un material de ánodo de silicio al líquido conductor para formar una mezcla; y añadir un material de carbono y NMP a la mezcla para obtener una suspensión. Sin embargo, este método no es adecuado para la aplicación a aglutinantes distintos de poliimida.
La Publicación de Solicitud de Patente china N.° 105304858 A desvela un electrodo negativo y un método para preparar el mismo. El método comprende añadir un material a base de silicio, un primer agente conductor y un primer aglutinante a agua desionizada y mezclar vigorosamente; ajustar el pH a menos de 7; calentar la mezcla mientras se mezcla para permitir que su contenido sólido alcance un valor predeterminado para obtener una primera suspensión; mezclar un material a base de carbono, un segundo agente conductor y un segundo aglutinante en agua desionizada para obtener una segunda suspensión; y mezclar juntas la primera y la segunda suspensión. Sin embargo, este método no incluye una forma de evitar la agregación del material a base de silicio.
La Publicación de Solicitud de Patente china N.° 104752696 A desvela un material de ánodo compuesto de carbono y silicio a base de grafeno y un método para preparar el mismo. El método comprende dispersar grafeno en un disolvente para formar una suspensión de grafeno; dispersar polvo de silicio en un disolvente y añadir un agente de acoplamiento de silano; dispersar ultrasónicamente y, a continuación, agitar magnéticamente para obtener una suspensión de polvo de silicio; mezclar las dos suspensiones juntas; añadir grafito y mezclar vigorosamente; y secar, triturar y tamizar para obtener el material de ánodo compuesto. Sin embargo, el método no proporciona una forma de asegurar una dispersión uniforme de los componentes de la suspensión.
La Publicación de Solicitud de Patente japonesa N.° 2015-53152 A desvela un electrodo negativo que comprende una capa de revestimiento con un material activo y un aglutinante. El aglutinante comprende una sal alcalina de ácido poliacrílico y al menos uno de carboximetilcelulosa y alcohol polivinílico, y la carboximetilcelulosa o el alcohol polivinílico comprenden de 10 a 80 partes en peso, basado en 100 partes en peso de la sal alcalina de ácido poliacrílico. Sin embargo, la divulgación no aborda el problema de la dispersión desigual y la agregación de partículas.
Una suspensión de ánodo que contiene un material a base de silicio dispersado uniformemente sería muy deseable para el rendimiento de la batería. En vista de lo anterior, existe la necesidad de una mejora continua de los métodos para preparar suspensiones de ánodo que contengan material a base de silicio uniformemente disperso.
Sumario de la invención
Las necesidades mencionadas anteriormente se satisfacen por la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas y las realizaciones desveladas en el presente documento.
En un aspecto, en el presente documento se proporciona un método para preparar una suspensión de ánodo, que comprende las etapas de:
1) mezclar un dispersante con un primer disolvente para formar una solución dispersante;
2) dispersar un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión;
3) homogeneizar la primera suspensión mediante un homogeneizador para obtener una primera suspensión homogeneizada;
4) mezclar un material aglutinante con un segundo disolvente para formar una solución aglutinante;
5) dispersar un segundo agente conductor en la solución aglutinante para formar una segunda suspensión; 6) mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión; y
7) mezclar un material de carbono activo con la tercera suspensión para formar la suspensión de ánodo; en el que el tamaño de partícula del primer agente conductor es menor que el tamaño de partícula del segundo agente conductor.
En algunas realizaciones, el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, óxido de polietileno, óxido de polipropileno, polivinilpirrolidona, celulosa polianiónica, carboxilmetilcelulosa, hidroxietilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa, metilcelulosa, almidón, pectina, poliacrilamida, gelatina, ácido poliacrílico y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, la viscosidad de la solución dispersante es de aproximadamente 10 cps a aproximadamente 2.000 cps.
En determinadas realizaciones, cada uno del primer y segundo disolventes se selecciona independientemente del grupo que consiste en agua, etanol, isopropanol, metanol, acetona, n-propanol, t-butanol, N-metil-2-pirrolidona y combinaciones de los mismos.
En algunas realizaciones, el material a base de silicio se selecciona del grupo que consiste en Si, SiOx , Si/C, SiOx/C, Si/M y combinaciones de los mismos, en el que cada x es independientemente de 0 a 2; M se selecciona de un metal alcalino, un metal alcalinotérreo, un metal de transición, un metal de tierras raras o una combinación de los mismos, y no es Si. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del material a base de silicio es de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 800 nm.
En determinadas realizaciones, el primer agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, negro de carbono, negro de acetileno, Super P, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado, carbono mesoporoso y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 100 nm.
En algunas realizaciones, la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión tiene un valor D10 en un intervalo de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 100 nm, un valor D50 en un intervalo de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 2 pm, y un valor D90 en un intervalo de aproximadamente 70 nm a aproximadamente En determinadas realizaciones, la relación de D90/D50 de la distribución del tamaño de partícula es inferior a 2:1. En algunas realizaciones, el segundo agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, grafito conductor, fibra de carbono de crecimiento al vapor, KS6, KS15, grafito expandido y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del segundo agente conductor es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm. En algunas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor es de aproximadamente 5:1 a aproximadamente 1:1.
En algunas realizaciones, el material de carbono activo se selecciona del grupo que consiste en carbono duro, carbono blando, grafito, microesferas de mesocarbono y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del material de carbono activo es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 20 pm.
En determinadas realizaciones, la relación del tamaño de partícula del segundo agente conductor con respecto al tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 250:1.
En algunas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es de aproximadamente 1.7:1 a aproximadamente 5:1.
En determinadas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1.
En algunas realizaciones, la cantidad del material a base de silicio es de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 20 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En determinadas realizaciones, la cantidad del primer agente conductor y el segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es superior o igual al 3 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En algunas realizaciones, la suspensión de ánodo tiene un contenido sólido de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 65 % en peso, basado en el peso total de la suspensión de ánodo.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 representa una realización del método desvelado en el presente documento.
Descripción detallada de la invención
En un aspecto, en el presente documento se proporciona un método para preparar una suspensión de ánodo, que comprende las etapas de:
1) mezclar un dispersante con un primer disolvente para formar una solución dispersante;
2) dispersar un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión;
3) homogeneizar la primera suspensión mediante un homogeneizador para obtener una primera suspensión homogeneizada;
4) mezclar un material aglutinante con un segundo disolvente para formar una solución aglutinante;
5) dispersar un segundo agente conductor en la solución aglutinante para formar una segunda suspensión; 6) mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión; y
7) mezclar un material de carbono activo con la tercera suspensión para formar la suspensión de ánodo; en el que el tamaño de partícula del primer agente conductor es menor que el tamaño de partícula del segundo agente conductor.
El término "electrodo" se refiere a un "cátodo" o a un "ánodo".
La expresión "electrodo positivo" se usa indistintamente con cátodo. Asimismo, la expresión "electrodo negativo" se usa indistintamente con ánodo.
La expresión "mezclador planetario" se refiere a un equipo que puede usarse para mezclar o agitar diferentes materiales para producir una mezcla homogénea, que consiste en paletas que realizan un movimiento planetario dentro de una vasija. En algunas realizaciones, el mezclador planetario comprende al menos una paleta planetaria y al menos una paleta de dispersión de alta velocidad. Las paletas planetaria y de dispersión de alta velocidad giran sobre sus propios ejes y también giran continuamente alrededor de la vasija. La velocidad de rotación se puede expresar en unidades de rotaciones por minuto (rpm) que se refiere al número de rotaciones que un cuerpo giratorio completa en un minuto.
El término "dispersante" se refiere a un producto químico que se puede usar para promover una separación máxima y uniforme de partículas finas en un medio de suspensión y formar una suspensión estable.
El término "dispersar" se refiere al acto de distribuir una especie química o un sólido más o menos uniformemente por todo un fluido.
La expresión "material a base de silicio" se refiere a un material que consiste en silicio o una combinación de silicio y otros elementos.
La expresión "agente conductor" se refiere a un material que es químicamente inactivo y tiene buena conductividad eléctrica. Por lo tanto, el agente conductor a menudo se mezcla con un material activo de electrodo en el momento de formar un electrodo para mejorar la conductividad eléctrica del electrodo.
El término "homogeneizador" se refiere a un equipo que puede usarse para la homogeneización de materiales. El término "homogeneización" se refiere a un proceso para reducir una sustancia o material a partículas pequeñas y distribuirlo uniformemente a través de un fluido. Se puede usar cualquier homogeneizador convencional para el método desvelado en el presente documento. Algunos ejemplos no limitantes del homogeneizador incluyen mezcladores agitadores, mezcladoras, molinos (por ejemplo, molinos coloidales y molinos de arena), equipos de ultrasonidos, atomizadores, homogeneizadores de rotor-estator y homogeneizadores de alta presión.
La expresión "equipo de ultrasonidos" se refiere a un equipo que puede aplicar energía ultrasónica para agitar las partículas en una muestra. Cualquier equipo de ultrasonidos que pueda dispersar la suspensión desvelada en el presente documento puede usarse en el presente documento. Algunos ejemplos no limitantes del equipo de ultrasonidos incluyen un baño de ultrasonidos, un equipo de ultrasonidos de tipo sonda y una celda de flujo ultrasónico.
La expresión "baño de ultrasonidos" se refiere a un aparato a través del cual la energía ultrasónica se transmite a través de la pared del recipiente del baño de ultrasonidos a la muestra líquida.
La expresión "equipo de ultrasonidos de tipo sonda" se refiere a una sonda ultrasónica sumergida en un medio para sonicación directa. La expresión "sonicación directa" significa que el ultrasonido está directamente acoplado al líquido de procesamiento.
La expresión "celda de flujo ultrasónico" o "cámara del reactor ultrasónico" se refiere a un aparato a través del cual los procesos de sonicación pueden realizarse en un modo de flujo continuo. En algunas realizaciones, la celda de flujo ultrasónico está en una configuración de una sola pasada, múltiples pasadas o recirculación.
La expresión "material aglutinante" se refiere a una sustancia química o una sustancia que puede usarse para mantener el material activo del electrodo de batería y el agente conductor en su lugar.
La expresión "material de carbono activo" se refiere a un material activo que tiene carbono como cadena principal, en el que se pueden intercalar iones de litio. Algunos ejemplos no limitantes del material de carbono activo incluyen un material carbonoso y un material grafítico. El material carbonoso es un material de carbono que tiene un bajo grado de grafitización (baja cristalinidad). El material grafítico es un material que tiene un alto grado de cristalinidad. La expresión "tamaño de partícula D50" se refiere a un tamaño acumulativo del 50 % basado en el volumen (D50) que es un tamaño de partícula en un punto del 50 % en una curva acumulativa (es decir, un diámetro de una partícula en el percentil 50 (mediana) de los volúmenes de partículas) cuando se dibuja la curva acumulativa de manera que se obtiene una distribución del tamaño de partícula sobre la base del volumen y el volumen completo es del 100 %. Además, D10 significa un tamaño del 10 % acumulativo basado en el volumen (es decir, un diámetro de una partícula en el percentil 10 de los volúmenes de partículas), y D90 significa un tamaño del 90% acumulativo basado en el volumen (es decir, un diámetro de una partícula en el percentil 90 de los volúmenes de partículas). La expresión "contenido sólido" se refiere a la cantidad de material no volátil que queda después de la evaporación. La expresión "componente principal" de una composición se refiere al componente que es superior al 50 %, superior al 55 %, superior al 60 %, superior al 65 %, superior al 70 %, superior al 75 %, superior al 80 %, superior al 85 %, superior al 90 % o superior al 95 % en peso o volumen, basado en el peso o volumen total de la composición.
La expresión "componente minoritario" de una composición se refiere al componente que es inferior al 50 %, inferior al 45 %, inferior al 40 %, inferior al 35 %, inferior al 30 %, inferior al 25 %, inferior al 20 %, inferior al 15 %, inferior al 10 % o inferior al 5 % en peso o volumen, basado en el peso o volumen total de la composición.
La expresión "tasa C" se refiere a la tasa de carga o descarga de una celda o batería, expresado en términos de su capacidad de almacenamiento total en Ah o mAh. Por ejemplo, una tasa de 1 C significa la utilización de toda la energía almacenada en una hora; 0,1 C significa la utilización del 10% de la energía en una hora o la energía completa en 10 horas; y 5C significa la utilización de la energía completa en 12 minutos.
La expresión "amperios-hora (Ah)" se refiere a una unidad usada para especificar la capacidad de almacenamiento de una batería. Por ejemplo, una batería con capacidad de 1 Ah puede suministrar una corriente de un amperio durante una hora o 0,5 A durante dos horas, etc. Por lo tanto, 1 amperio-hora (Ah) es el equivalente a 3600 culombios de carga eléctrica. De manera similar, la expresión "miliamperio-hora (mAh)" también se refiere a una unidad de la capacidad de almacenamiento de una batería y es 1/1.000 de un amperio-hora.
La expresión "miliamperios-hora por gramo (mAh/g)" se refiere a una unidad que especifica la capacidad específica de un material de batería (es decir, la capacidad por unidad de masa del material de batería).
La expresión "vida cíclica de la batería" se refiere al número de ciclos completos de carga/descarga que una batería puede realizar antes de que su capacidad nominal caiga por debajo del 80 % de su capacidad máxima inicial.
En la siguiente descripción, todos los números desvelados en el presente documento son valores aproximados, independientemente de si se usa la palabra "aproximadamente" o "aproximado" en relación con los mismos. Pueden variar en un 1 por ciento, 2 por ciento, 5 por ciento o, a veces, del 10 al 20 por ciento. Siempre que se desvele un intervalo numérico con un límite inferior, RL y un límite superior, Ru, se desvela específicamente cualquier número que se encuentre dentro del intervalo. En particular, se desvelan específicamente los siguientes números dentro del intervalo: R=RL+k*(RU-RL), en el que k es una variable que varía del 1 por ciento al 100 por ciento con un aumento del 1 por ciento, es decir, k es el 1 por ciento, 2 por ciento, 3 por ciento, 4 por ciento, 5 por ciento, ..., 50 por ciento, 51 por ciento, 52 por ciento, ..., 95 por ciento, 96 por ciento, 97 por ciento, 98 por ciento, 99 por ciento o 100 por ciento. Además, también se desvela específicamente cualquier intervalo numérico definido por dos números R como se define en lo anterior.
Un método convencional para preparar una suspensión de ánodo que contiene silicio incluye las etapas de añadir un material de carbono activo, tal como partículas de grafito, a una solución aglutinante para formar una mezcla y, a continuación, añadir partículas de silicio y un agente conductor a la mezcla para formar la suspensión de ánodo que contiene silicio. Sin embargo, las partículas de silicio tienden a formar agregados que se mantienen unidos por fuertes fuerzas y no se romperán fácilmente en condiciones normales de dispersión. Los agregados de las partículas de silicio tienden a provocar un problema de agrietamiento del ánodo que contiene silicio durante la intercalación de los iones de litio.
Lo que se necesita en la industria es un método para preparar una suspensión de ánodo que contiene silicio que comprenda silicio uniformemente disperso en la misma. La presente invención se refiere a suspensiones de ánodo que tienen una dispersabilidad mejorada de un material a base de silicio, un material activo de ánodo y agentes conductores.
La figura 1 muestra una realización del método desvelado en el presente documento. En primer lugar, se prepara una solución dispersante mezclando un dispersante con un primer disolvente. A continuación, se dispersan un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión. A continuación, la primera suspensión se homogeneiza para dispersar por completo el material a base de silicio y el primer agente conductor en la primera suspensión. Se prepara una solución aglutinante mezclando un material aglutinante con un segundo disolvente. Un segundo agente conductor se dispersa en la solución aglutinante para formar una segunda suspensión. A continuación, la primera suspensión homogeneizada se mezcla con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión. Por último, se añade un material de carbono activo a la tercera suspensión. El material a base de silicio, el material de carbono activo y los agentes conductores junto con el material aglutinante forman una suspensión de ánodo que contiene silicio.
Debido a la tendencia del material a base de silicio de tamaño nanométrico a adherirse entre sí o a otros componentes, es importante dispersar el material a base de silicio uniformemente antes de mezclarlo con otros componentes de la suspensión de ánodo. El método de la presente invención es capaz de evitar la aglomeración de material a base de silicio de tamaño nanométrico y dispersar eficazmente el material a base de silicio de tamaño nanométrico uniformemente en suspensiones de ánodo. Una primera suspensión que tenga una distribución homogénea de material a base de silicio y un primer agente conductor es crucial para producir una suspensión de ánodo que tenga una distribución homogénea de todos los componentes en la suspensión de ánodo.
Además, preparar una segunda suspensión que tenga una distribución homogénea del segundo agente conductor y/o el material de carbono activo antes de la mezcla con la primera suspensión puede asegurar una distribución homogénea de materiales en la tercera suspensión. Como resultado, la suspensión de ánodo preparada a partir de la tercera suspensión tiene una distribución homogénea de materiales.
El primer agente conductor puede aumentar la densidad de una capa de revestimiento de electrodo. Una capa de recubrimiento de ánodo compuesta por partículas con diferentes tamaños puede aumentar eficazmente la densidad de empaquetamiento. Las partículas de tamaño medio llenarían los huecos entre las partículas de tamaño más grande, mientras que las partículas de tamaño más pequeño llenarían los huecos entre las partículas de tamaño medio. Este relleno sucesivo de los huecos por partículas de tamaño más pequeño reduciría el volumen de los huecos y aumentaría la densidad de empaquetamiento de la capa de revestimiento de ánodo. Por consiguiente, esto aumentará la densidad de empaquetamiento y la capacidad de la celda. Además, dado que la conductividad eléctrica del silicio es menor que la conductividad eléctrica del carbono, una capa de revestimiento de ánodo que tenga agentes conductores con diferentes tamaños de partícula tiene una red conductora bien conectada, lo que aumenta la conductividad eléctrica de la capa de revestimiento de ánodo.
Sin embargo, como el material a base de silicio tiene un gran cambio de volumen durante la intercalación y desintercalación de iones de litio, un volumen vacío insuficiente en la capa de revestimiento de ánodo provocará el agrietamiento de la capa. Una de las ventajas de la presente invención es que la suspensión de ánodo preparada por el método desvelado en el presente documento se puede usar para preparar una capa de revestimiento de ánodo con conductividad eléctrica aumentada y espacio suficiente para la expansión del material a base de silicio. En determinadas realizaciones, la solución dispersante se prepara mezclando un dispersante con un primer disolvente. En algunas realizaciones, el dispersante es un polímero a base de acrilato o a base de celulosa. Algunos ejemplos no limitantes del polímero a base de acrílico incluyen polivinilpirrolidona, ácido poliacrílico y alcohol polivinílico. Algunos ejemplos no limitantes del polímero a base de celulosa incluyen hidroxietilcelulosa (HEC), hidroxipropilcelulosa (HPC), metilcelulosa (MC) e hidroxialquilmetilcelulosa. En realizaciones adicionales, el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, óxido de polietileno, óxido de polipropileno, polivinilpirrolidona, celulosa polianiónica, carboxilmetilcelulosa, hidroxietilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa, metilcelulosa, almidón, pectina, poliacrilamida, gelatina, ácido poliacrílico y combinaciones de los mismos.
El uso del dispersante mejora la humectación del material a base de silicio y ayuda a que el material a base de silicio se disperse en la solución dispersante. La adición de tensioactivos tales como un tensioactivo aniónico o un tensioactivo catiónico, sin embargo, tiende a cambiar otras propiedades físicas de la solución de dispersión (tal como la tensión superficial) y puede hacer que la solución de dispersión no sea adecuada para una aplicación deseada. Adicionalmente, el uso del dispersante también puede ayudar a inhibir la sedimentación de los contenidos sólidos al aumentar la viscosidad de la solución de dispersión. Por lo tanto, las viscosidades constantes en la solución de dispersión y un estado de dispersión uniforme pueden conservarse durante mucho tiempo.
El disolvente usado en la suspensión de ánodo puede ser cualquier disolvente orgánico polar. En determinadas realizaciones, cada uno del primer y segundo disolventes es independientemente un disolvente orgánico polar seleccionado del grupo que consiste en metilpropilcetona, metilisobutilcetona, etilpropilcetona, diisobutilcetona, acetofenona, N-metil-2-pirrolidona, acetona, tetrahidrofurano, dimetilformamida, acetonitrilo, dimetilsulfóxido y similares.
También se puede usar un disolvente acuoso para producir la suspensión de ánodo. Puede ser deseable una transición a un proceso de base acuosa para reducir las emisiones de compuesto orgánico volátil y aumentar la eficiencia del procesamiento. En determinadas realizaciones, cada uno del primer y segundo disolventes es independientemente una solución que contiene agua como componente principal y un disolvente volátil, tal como alcoholes, cetonas alifáticas inferiores, acetatos de alquilo inferior o similares, como componente minoritario además del agua. En algunas realizaciones, la cantidad de agua es de al menos el 50 %, al menos el 55 %, al menos el 60 %, al menos el 65 %, al menos el 70 %, al menos el 75 %, al menos el 80 %, al menos el 85 %, al menos el 90 % o al menos el 95 % de la cantidad total de agua y disolventes distintos de agua. En determinadas realizaciones, la cantidad de agua es como máximo el 55 %, como máximo el 60 %, como máximo el 65 %, como máximo el 70 %, como máximo el 75 %, como máximo el 80 %, como máximo el 85 %, como máximo el 90 % o como máximo el 95 % de la cantidad total de agua y disolventes distintos de agua. En algunas realizaciones, el disolvente consiste únicamente en agua, es decir, la proporción de agua en el disolvente es del 100 % en vol.
Se puede usar cualquier disolvente miscible en agua como componente minoritario del primer o segundo disolvente. Algunos ejemplos no limitantes del componente minoritario (es decir, disolventes distintos de agua) incluyen alcoholes, cetonas alifáticas inferiores, acetatos de alquilo inferior y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes del alcohol incluyen alcoholes C1-C4, tales como metanol, etanol, isopropanol, n-propanol, butanol y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes de las cetonas alifáticas inferiores incluyen acetona, dimetilcetona y metiletilcetona. Algunos ejemplos no limitantes de los acetatos de alquilo inferior incluyen acetato de etilo, acetato de isopropilo y acetato de propilo.
En determinadas realizaciones, cada uno del primer y segundo disolventes está exento de un disolvente orgánico tal como alcoholes, cetonas alifáticas inferiores y acetatos de alquilo inferiores. Dado que la composición de la suspensión de ánodo no contiene ningún disolvente orgánico, se evita el manejo costoso, restrictivo y complicado de los disolventes orgánicos durante la fabricación de la suspensión.
La cantidad de dispersante en la solución dispersante varía de aproximadamente el 0,01 % a aproximadamente el 15%, de aproximadamente el 0,01% a aproximadamente el 10% o de aproximadamente el 0,1% a aproximadamente el 8 % en peso, basado en el peso total de la solución dispersante. Cuando la cantidad de dispersante es demasiado alta, la relación en peso de dispersante por peso de material activo aumenta y, por lo tanto, se reduce la cantidad de material activo. Esto da como resultado la reducción de la capacidad de la celda y el deterioro de las propiedades de la celda.
En determinadas realizaciones, la viscosidad de la solución dispersante es de aproximadamente 10cps a aproximadamente 2.000 cps, de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 1.000 cps, de aproximadamente 50 cps a aproximadamente 1.000 cps, de aproximadamente 100 cps a aproximadamente 1.000 cps, de aproximadamente 200 cps a aproximadamente 1.000 cps, de aproximadamente 500 cps a aproximadamente 1.000 cps, de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 800 cps, de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 500 cps, de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 200 cps, de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 100 cps, o de aproximadamente 20 cps a aproximadamente 50 cps.
La suspensión de ánodo desvelada en el presente documento comprende un material a base de silicio para aumentar la capacidad de almacenamiento de las baterías. Se dispersan un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión. En determinadas realizaciones, el material a base de silicio se selecciona del grupo que consiste en Si, SiOx , Si/C, SiOx/C, Si/M y combinaciones de los mismos, en el que cada x es independientemente de 0 a 2; M se selecciona de un metal alcalino, un metal alcalinotérreo, un metal de transición, un metal de tierras raras o una combinación de los mismos, y no es Si.
No existe una restricción particular sobre el tipo de material a base de silicio. El material a base de silicio se puede preparar en forma de polvo fino, nanoalambre, nanovarilla, nanofibra o nanotubo. En determinadas realizaciones, el material a base de silicio está en forma de polvo fino. Cuando el tamaño de partícula del material a base de silicio es demasiado grande (por ejemplo, mayor de 800 nm), el material a base de silicio experimentará una expansión de volumen muy grande, provocando así el agrietamiento de la capa de revestimiento de ánodo. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del material a base de silicio es de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 800 nm, de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 500 nm, de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 500 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 100 nm, o de aproximadamente 100 nm a aproximadamente 300 nm. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del material a base de silicio es inferior a 800 nm, inferior a 600 nm, inferior a 400 nm, inferior a 200 nm o inferior a 100 nm. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del material a base de silicio es superior a 10 nm, superior a 50 nm, superior a 100 nm, superior a 200 nm o superior a 500 nm.
En algunas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al dispersante en la primera suspensión es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 8:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 6:1, de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 8:1, de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 6:1, o de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 6:1. En determinadas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al dispersante en la primera suspensión es inferior a 10:1, inferior a 8:1, inferior a 6:1, inferior a 4:1 o inferior a 2:1. En algunas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al dispersante en la primera suspensión es superior a 2:1, superior a 4:1, superior a 6:1 o superior a 8:1.
El agente conductor en la suspensión de ánodo sirve para mejorar la propiedad de conducción eléctrica de un ánodo. En algunas realizaciones, la suspensión de ánodo comprende agentes conductores de diferentes tamaños. En determinadas realizaciones, la suspensión de ánodo comprende un primer agente conductor y un segundo agente conductor, y el tamaño de partícula del primer agente conductor es inferior al tamaño de partícula del segundo agente conductor. En algunas realizaciones, el primer agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, negro de carbono, negro de acetileno, Super P, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado, carbono mesoporoso y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, el primer agente conductor no es carbono, negro de carbono, negro de acetileno, Super P, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado o carbono mesoporoso.
En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 80 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 70 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 50 nm, de aproximadamente 40 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 40 nm a aproximadamente 60 nm, de aproximadamente 45 nm a aproximadamente 90 nm, de aproximadamente 45 nm a aproximadamente 60 nm, o de aproximadamente 60 nm a aproximadamente 100 nm. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del primer agente conductor es inferior a 100 nm, inferior a 80 nm, inferior a 60 nm, inferior a 40 nm o inferior a 20 nm. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del primer agente conductor es superior a 20 nm, superior a 40 nm, superior a 60 nm o superior a 80 nm.
En determinadas realizaciones, la relación de aspecto de cada uno del primer agente conductor y el segundo agente conductor es independientemente de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:10, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:8, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:6, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:5, o de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:3. En algunas realizaciones, la relación de aspecto de cada uno del primer agente conductor y el segundo agente conductor es independientemente inferior a
1:10, inferior a 1:8, inferior a 1:6, inferior a 1:5 o inferior a 1:3.
En algunas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al dispersante en la primera suspensión es de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 0,5:1 a aproximadamente
2,5:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 4:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 3:1, o de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1. En determinadas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al dispersante en la primera suspensión es inferior a 5:1, inferior a 4:1, inferior a 3:1, inferior a 2:1 o inferior a 1:1. En algunas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al dispersante en la primera suspensión es superior a 0,5:1, superior a 1:1, superior a 2:1, superior a 3:1 o superior a 4:1.
En determinadas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es de aproximadamente 2 a aproximadamente 5, de aproximadamente 2 a aproximadamente 4, de aproximadamente 2 a aproximadamente 3, de aproximadamente 2,5 a aproximadamente 5, de aproximadamente 3 a aproximadamente 5, de aproximadamente 3 a aproximadamente 4 o de aproximadamente 4 a aproximadamente 5.
0 nm a
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0 nm a aproximadamente 100 nm, o de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 100 nm.
En algunas realizaciones, la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión tiene un valor D50 en un intervalo de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 1 pm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente
500 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente
200 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente
80 nm, de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 60 nm, o de aproximadamente 30 nm a aproximadamente
50 nm.
En determinadas realizaciones, la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión tiene un valor D90 en un intervalo de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 1 pm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 800 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 500 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 70 nm a aproximadamente 300 nm, de aproximadamente 70 nm a aproximadamente 200 nm, de aproximadamente 70 nm a aproximadamente 100 nm, o de aproximadamente 70 nm a aproximadamente 90 nm.
En algunas realizaciones, cada una de las relaciones de D50/D10 y D90/D50 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es independientemente de aproximadamente 0,3:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 3:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 4:1, o de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 4:1. En determinadas realizaciones, cada una de las relaciones de D50/D10 y D90/D50 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es independientemente inferior a 10:1, inferior a 5:1, inferior a 4:1, inferior a 3:1, inferior a 2:1, inferior a 1,5:1 o inferior a 1:1. En algunas realizaciones, cada una de las relaciones de D50/D10 y D90/D50 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es independientemente superior a 1:1, superior a 2:1, superior a 3:1, superior a 4:1 o superior a
5:1.
En determinadas realizaciones, la relación de D90/D10 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 8:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 6:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 10:1, de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 8:1, o de aproximadamente 4:1 a aproximadamente 6:1. En algunas realizaciones, la relación de D90/D10 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es inferior a 10:1, inferior a 8:1, inferior a 6:1 o inferior a 5:1. En determinadas realizaciones, la relación de D90/D10 de la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión es superior a 2:1, superior a 3:1, superior a 4:1, superior a 5:1 o superior a 6:1.
En algunas realizaciones, la primera suspensión tiene un contenido sólido de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 30 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 20 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 15 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 15 %, de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 35 % o de aproximadamente el 25 % a aproximadamente el 35 % en peso, basado en el peso total de la primera suspensión.
A continuación, la primera suspensión se homogeneiza mediante un homogeneizador para lograr una dispersión uniforme del material a base de silicio y el primer agente conductor y obtener una primera suspensión homogeneizada. En el presente documento puede usarse cualquier equipo que pueda homogeneizar la primera suspensión. En algunas realizaciones, el homogeneizador es un equipo de ultrasonidos, un mezclador agitador, un mezclador planetario, una mezcladora, un molino, un homogeneizador de rotor-estator o un homogeneizador de alta presión.
En algunas realizaciones, el homogeneizador es un equipo de ultrasonidos. En el presente documento puede usarse cualquier equipo de ultrasonidos que pueda aplicar energía de ultrasonidos para agitar y dispersar las partículas en una muestra. En algunas realizaciones, el equipo de ultrasonidos es un baño de ultrasonidos, un equipo de ultrasonidos de tipo sonda o una celda de flujo ultrasónico.
En determinadas realizaciones, el equipo de ultrasonidos funciona a una densidad de potencia de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 200 W/l, de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 150 W/l, de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 100 W/l, de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 50 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 200 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 150 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 100 W/l, de aproximadamente 10 W/l a aproximadamente 50 W/l, o de aproximadamente 10 W/l a aproximadamente 30 W/l.
En algunas realizaciones, la primera suspensión se somete a sonicación durante un período de tiempo de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente 2 horas a aproximadamente 5 horas, o de aproximadamente 2 horas a aproximadamente 4 horas.
En determinadas realizaciones, la primera suspensión se homogeneiza mediante agitación mecánica durante un periodo de tiempo de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 5 horas. En algunas realizaciones, el mezclador agitador es un mezclador planetario que consiste en paletas de dispersión planetarias y de alta velocidad. En determinadas realizaciones, la velocidad de rotación de las paletas de dispersión planetarias y de alta velocidad es la misma. En otras realizaciones, la velocidad de rotación de la paleta planetaria es de aproximadamente 50 rpm a aproximadamente 200 rpm y la velocidad de rotación de la paleta de dispersión es de aproximadamente 1.000 rpm a aproximadamente 3.500 rpm. En determinadas realizaciones, el tiempo de agitación es de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente 2 horas a aproximadamente 5 horas, o de aproximadamente 3 horas a aproximadamente 5 horas. En algunas realizaciones, la primera suspensión se homogeneiza mediante agitación mecánica y por ultrasonicación simultáneamente. En determinadas realizaciones, la primera suspensión se somete a ultrasonicación y se agita a temperatura ambiente durante varias horas. Los efectos combinados de la agitación mecánica y la ultrasonicación pueden mejorar el efecto de mezcla. Por lo tanto, se podría obtener una primera suspensión homogeneizada y se podría reducir el tiempo de mezcla. En determinadas realizaciones, el tiempo para la agitación y la ultrasonicación es de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 4 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 1 hora, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 4 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 3 horas, o de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 2 horas. En algunas realizaciones, para asegurar una mezcla completa de los materiales en la primera suspensión, el tiempo de agitación y la ultrasonicación es de al menos 1 hora o 2 horas.
Durante el funcionamiento del equipo de ultrasonidos, la energía ultrasónica se convierte parcialmente en calor, provocando un aumento de la temperatura en la suspensión. Convencionalmente, se usa un sistema de refrigeración para disipar el calor generado. Para mantener la temperatura de la suspensión durante la ultrasonicación, se puede usar un baño de hielo. Además, puede usarse una duración más corta para la ultrasonicación para evitar el sobrecalentamiento de la suspensión debido a la generación de grandes cantidades de calor. La suspensión también puede someterse a ultrasonicación de forma intermitente para evitar el sobrecalentamiento. Sin embargo, cuando se aplica una potencia mayor, se puede generar una cantidad considerable de calor debido a la mayor amplitud de oscilación. Por lo tanto, se vuelve más difícil enfriar la suspensión.
La homogeneidad del material a base de silicio y el primer agente conductor en la primera suspensión depende de la energía ultrasónica entregada a la suspensión. La potencia ultrasónica no puede ser demasiado alta ya que el calor generado por la ultrasonicación puede sobrecalentar la suspensión. Un aumento de temperatura durante la ultrasonicación puede afectar a la calidad de dispersión de las partículas en la primera suspensión.
El equipo de ultrasonidos puede funcionar con una baja densidad de potencia para evitar el sobrecalentamiento de la primera suspensión. En algunas realizaciones, la primera suspensión se trata mediante ultrasonicación a una densidad de potencia de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 200 W/l con agitación a una velocidad de rotación de la paleta de dispersión de aproximadamente 1.000 rpm a aproximadamente 3.500 rpm y una velocidad de rotación de la paleta planetaria de aproximadamente 50 rpm a aproximadamente 200 rpm. En otras realizaciones, el equipo de ultrasonidos funciona a una densidad de potencia de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 150 W/l, de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 100 W/l, de aproximadamente 20 W/l a aproximadamente 50 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 200 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 150 W/l, de aproximadamente 50 W/l a aproximadamente 100 W/l, de aproximadamente 10 W/l a aproximadamente 50 W/l, o de aproximadamente 10 W/l a aproximadamente 30 W/l. En algunas realizaciones, el equipo de ultrasonidos funciona a una densidad de potencia inferior a 100 W/l, inferior a 80 W/l, inferior a 60 W/l o inferior a 50 W/l. Cuando se usan dichas densidades de potencia no se requiere eliminación de calor o enfriamiento para la etapa de dispersión. En algunas realizaciones, la velocidad de rotación de la paleta de dispersión es de aproximadamente 1.000 rpm a aproximadamente 3.000 rpm, de aproximadamente 1.000 rpm a aproximadamente 2.000 rpm, de aproximadamente 2.000 rpm a aproximadamente 3.500 rpm o de aproximadamente 3.000 rpm a aproximadamente 3.500 rpm. En determinadas realizaciones, la velocidad de rotación de la paleta planetaria es de aproximadamente 50 rpm a aproximadamente 150 rpm, de aproximadamente 50 rpm a aproximadamente 100 rpm, de aproximadamente 75 rpm a aproximadamente 200 rpm, de aproximadamente 75 rpm a aproximadamente 150 rpm, de aproximadamente 100 rpm a aproximadamente 200 rpm o de aproximadamente 100 rpm a aproximadamente 150 rpm.
La primera suspensión preparada en la presente invención muestra una distribución homogénea del tamaño de partícula. Si se produce la aglomeración del material a base de silicio y el primer agente conductor, la homogeneidad de las partículas en la primera suspensión se verá afectada, lo que en consecuencia afectará a la distribución del tamaño de partícula de la suspensión de ánodo.
En algunas realizaciones, se puede preparar una segunda suspensión dispersando un segundo agente conductor en la solución aglutinante.
El material aglutinante en la suspensión de ánodo cumple la función de unir el material de electrodo activo y los agentes conductores en el colector de corriente. Se puede preparar una solución aglutinante mezclando un material aglutinante con un segundo disolvente. En algunas realizaciones, el material aglutinante se selecciona del grupo que consiste en caucho de estireno-butadieno (SBR), caucho de estireno-butadieno acrilado, copolímero de acrilonitrilo, caucho de acrilonitrilo-butadieno, caucho de nitrilo y butadieno, copolímero de acrilonitrilo-estireno-butadieno, caucho de acrilo, caucho de butilo, caucho de flúor, politetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, copolímeros de etileno/propileno, polibutadieno, óxido de polietileno, polietileno clorosulfonado, polivinilpirrolidona, polivinilpiridina, alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, poliepiclorohidrina, polifosfaceno, poliacrilonitrilo, poliestireno, látex, resinas acrílicas, resinas fenólicas, resinas epoxídicas, carboximetilcelulosa (CMC), hidroxipropilcelulosa, acetato de celulosa, acetato butirato de celulosa, propionato acetato de celulosa, cianoetilcelulosa, cianoetilsacarosa, poliéster, poliamida, poliéter, poliimida, policarboxilato, ácido policarboxílico, ácido poliacrílico (PAA), poliacrilato, ácido polimetacrílico, polimetacrilato, poliacrilamida, poliuretano, polímero fluorado, polímero clorado, una sal de ácido algínico, fluoruro de polivinilideno (PVDF), poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropeno (PVDF-HFP), LA132, LA133 y combinaciones de los mismos. En determinadas realizaciones, la sal de ácido algínico comprende un catión seleccionado del grupo que consiste en Na, Li, K, Ca, NH4, Mg, Al o una combinación de los mismos.
En algunas realizaciones, el material aglutinante es SBR, CMC, PAA, una sal de ácido algínico o una combinación de los mismos. En determinadas realizaciones, el material aglutinante es un copolímero de acrilonitrilo. En algunas realizaciones, el material aglutinante es poliacrilonitrilo. En determinadas realizaciones, el material aglutinante está exento de SBR, CMC, PVDF, copolímero de acrilonitrilo, PAA, poliacrilonitrilo, PVDF-HFP, LA132, LA133, látex o una sal de ácido algínico.
En otras realizaciones, se puede preparar una segunda suspensión mezclando un segundo agente conductor y un material de carbono activo en el segundo disolvente.
En algunas realizaciones, el segundo agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, grafito conductor, fibra de carbono de crecimiento al vapor, KS6, KS15, grafito expandido y combinaciones de los mismos.
En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del segundo agente conductor es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 8 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 6 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 4 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 8 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 6 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 10 pm o de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 8 pm. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del segundo agente conductor es inferior a 10 pm, inferior a 8 pm, inferior a 6 pm, inferior a 4 pm o inferior a 2 pm. En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del segundo agente conductor es superior a 1 pm, superior a 3 pm, superior a 5 pm, superior a 7 pm o superior a 9 |jm.
En algunas realizaciones, la segunda suspensión tiene un contenido sólido de aproximadamente el 0,5% a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 1 % aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 6 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 4 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 2 %, de aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 6 %, de aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 4 % o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 10 % en peso, basado en el peso total de la segunda suspensión.
En algunas realizaciones, se prepara una segunda suspensión mezclando un segundo agente conductor y un material de carbono activo en el segundo disolvente. El contenido sólido de la segunda suspensión es de aproximadamente el 15 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 30 %, de aproximadamente el 25 % a aproximadamente el
35 % o de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 35 % en peso, basado en el peso total de la segunda suspensión.
En determinadas realizaciones, el período de tiempo para dispersar el segundo agente conductor en la solución aglutinante es de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 1 hora, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 3 horas, o de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 2 horas.
Después de formar la segunda suspensión, la primera suspensión homogeneizada se mezcla con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión. En determinadas realizaciones, el período de tiempo para mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión es de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente
0,5 horas a aproximadamente 1 hora, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 3 horas, o de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 2 horas. En algunas realizaciones, el período de tiempo para mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión es superior a 0,5 horas, 0,75 horas o superior a
1 hora.
En algunas realizaciones, la primera suspensión y la segunda suspensión se agitan para evitar la sedimentación de las partículas antes de que se mezclen las dos suspensiones. Por lo tanto, las partículas en suspensión se pueden mantener durante largos períodos de tiempo.
En determinadas realizaciones, la tercera suspensión tiene un contenido sólido de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 30 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 15 % a aproximadamente el 35 %, de aproximadamente el 20 % a aproximadamente el 35 % o de aproximadamente el
20 % a aproximadamente el 25 % en peso, basado en el peso total de la tercera suspensión.
En algunas realizaciones, se puede preparar una suspensión de ánodo mezclando el material de carbono activo con la tercera suspensión. La mezcla de la tercera suspensión homogénea con material de carbono activo puede evitar la agregación de partículas. En determinadas realizaciones, el material de carbono activo se selecciona del grupo que consiste en carbono duro, carbono blando, grafito, microesferas de mesocarbono y combinaciones de los mismos. En otras realizaciones, el material de carbono activo no es carbono duro, carbono blando, grafito o microesferas de mesocarbono. En otras realizaciones, se puede preparar una suspensión de ánodo mezclando un material aglutinante con la tercera suspensión.
En determinadas realizaciones, el tamaño de partícula del material de carbono activo es de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 30 jm, de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 20 jm, de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 10 jm, de aproximadamente 10 jm a aproximadamente 30 jm, de aproximadamente 10 jm a aproximadamente 20 jm, de aproximadamente 15 jm a aproximadamente 30 jm, de aproximadamente 15 jm a aproximadamente 25 jm o de aproximadamente 15 jm a aproximadamente 20 jm. En algunas realizaciones, el tamaño de partícula del material de carbono activo es mayor que cada uno de los tamaños de partícula del material a base de silicio, el primer agente conductor y el segundo agente conductor.
En algunas realizaciones, el período de tiempo para mezclar el material de carbono activo o el material aglutinante con la tercera suspensión es de aproximadamente 0,5 horas a aproximadamente 6 horas, de aproximadamente
1 hora a aproximadamente 6 horas, de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 5 horas, de aproximadamente
1 hora a aproximadamente 3 horas, de aproximadamente 2 horas a aproximadamente 6 horas, o de aproximadamente 2 horas a aproximadamente 4 horas.
Cuando la cantidad de dispersante en la suspensión de ánodo es demasiado grande, se reducirá el rendimiento electroquímico del ánodo preparado. En determinadas realizaciones, la cantidad de dispersante en la suspensión de ánodo es de aproximadamente el 0,1% a aproximadamente el 5%, de aproximadamente el 0,1% a aproximadamente el 2 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 3 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 2 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 4 % o de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 3 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En algunas realizaciones, la cantidad de dispersante en la suspensión de ánodo es inferior al 10%, inferior al 5%, inferior al 4 %, inferior al 3 %, inferior al 2 % o inferior al 1 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En determinadas realizaciones, la cantidad de dispersante en la suspensión de ánodo es superior al 0,1 %, superior al 0,5 %, superior al 1 %, superior al 2 %, superior al 3 % o superior al 4 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
Si la cantidad de material a base de silicio en la capa de electrodo de ánodo es demasiado alta, la capa de electrodo de ánodo tendrá una expansión de ciclo alto. Por lo tanto, el material a base de silicio de la presente invención tiene un contenido de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 20 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En otras realizaciones, la cantidad del material a base de silicio en la suspensión de ánodo es de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 6 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 4 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 20 % o de aproximadamente el 10 % a aproximadamente el 15 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En determinadas realizaciones, la cantidad del material a base de silicio en la suspensión de ánodo es inferior al 20 %, inferior al 15 %, inferior al 10 %, inferior al 5 %, inferior al 4 %, inferior al 3 %, inferior al 2 % o inferior al 1 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En algunas realizaciones, el contenido del material a base de silicio en la suspensión de ánodo es como máximo del 1 %, como máximo el 2 %, como máximo el 3 %, como máximo el 4 %, como máximo el 5 %, como máximo el 10 %, como máximo el 15 % o como máximo el 20 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
El primer agente conductor que tiene un tamaño de partícula pequeño se puede usar para llenar el hueco entre partículas de material de electrodo más grandes para aumentar la densidad de empaquetamiento y la conductividad eléctrica de un ánodo. En determinadas realizaciones, la relación del tamaño de partícula del segundo agente conductor con respecto al tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 250:1, de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 200:1, de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 150:1, de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 100:1, de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 50:1, de aproximadamente 50:1 a aproximadamente 250:1, de aproximadamente 50:1 a aproximadamente 150:1, de aproximadamente 50:1 a aproximadamente 200:1, o de aproximadamente 100:1 a aproximadamente 250:1. En algunas realizaciones, la relación del tamaño de partícula del segundo agente conductor con respecto al tamaño de partícula del primer agente conductor es inferior a 300:1, inferior a 250:1, inferior a 200:1, inferior a 150:1, inferior a 100:1 o inferior a 50:1. En determinadas realizaciones, la relación del tamaño de partícula del segundo agente conductor con respecto al tamaño de partícula del primer agente conductor es superior a 10:1, superior a 20:1, superior a 50:1, superior a 100:1 o superior a 150:1.
En algunas realizaciones, la cantidad de cada uno del primer y segundo agentes conductores en la suspensión de ánodo es independientemente de al menos el 0,1 %, al menos el 0,5%, al menos el 1 %, al menos el 1,5%, al menos el 2 %, al menos el 2,5 %, al menos el 3 %, al menos el 3,5 %, al menos el 4 %, al menos el 4,5 %, al menos el 5 %, al menos el 6 % o al menos el 7 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En determinadas realizaciones, la cantidad de cada uno del primer y segundo agentes conductores en la suspensión de ánodo es independientemente como máximo del 10 %, como máximo el 9 %, como máximo el 8 %, como máximo el 7 %, como máximo el 6 %, como máximo el 5 %, como máximo el 4,5 %, como máximo el 4 % o como máximo el 3,5 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En determinadas realizaciones, la cantidad de cada uno del primer y segundo agentes conductores en la suspensión de ánodo es independientemente de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 6 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 4 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 7 % o de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 5 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En algunas realizaciones, la cantidad total del primer agente conductor y el segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es de aproximadamente el 0,1 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 8 %, de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 7 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 8 % o de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 5 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En determinadas realizaciones, la cantidad total del primer agente conductor y el segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es de al menos el 0,1 %, al menos el 0,5 %, al menos el 1 %, al menos el 2 %, al menos el 3 %, al menos el 4 % o al menos el 5 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En algunas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1,8:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1,6:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1,5:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1,3:1, de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1,1:1, de aproximadamente 1,2:1 a aproximadamente 1,8:1, de aproximadamente 1,3:1 a aproximadamente 1,7:1, o de aproximadamente 1,5:1 a aproximadamente 2:1. En determinadas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es inferior a 3:1, inferior a 2,5:1, inferior a 2:1 o inferior a 1,5:1. En algunas realizaciones, la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es superior a 0,5:1, superior a 1:1 o superior a 1,5:1.
En algunas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es de aproximadamente 1,7:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 1,7:1 a aproximadamente 4:1, de aproximadamente 1,7:1 a aproximadamente 3:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 5:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 4:1, de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 3:1, o de aproximadamente 3:1 a aproximadamente 5:1. En determinadas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es inferior a 2,5:1, inferior a 3:1, inferior a 3,5:1, inferior a 4:1 o inferior a 4,5:1. En determinadas realizaciones, la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es superior a 1,7:1, superior a 2:1, superior a 2,5:1, superior a 3:1, superior a 3,5:1, superior a 4:1 o superior a 4,5:1.
En algunas realizaciones, la cantidad de material aglutinante en la suspensión de ánodo es de al menos el 0,1 %, al menos el 0,5 %, al menos el 1 %, al menos el 2 %, al menos el 3 %, al menos el 4 %, al menos el 5 % o al menos el 10 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo. En algunas realizaciones, la cantidad de material aglutinante en la suspensión de ánodo es como máximo del 0,1 %, como máximo el 0,5%, como máximo el 1 %, como máximo el 2 %, como máximo el 3 %, como máximo el 4 %, como máximo el 5 % o como máximo el 10 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
En determinadas realizaciones, la cantidad de material aglutinante en la suspensión de ánodo es de aproximadamente el 0,1 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 0,1 % a aproximadamente el 2 %, de aproximadamente el 0,1 % a aproximadamente el 1 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 10 %, de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 %, de aproximadamente el 3 % a aproximadamente el 10 % o de aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 10 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
La suspensión de ánodo resultante puede contener hasta el 50 % o el 60 % de sólidos dispersos en peso, basado en el peso total de la suspensión de ánodo. En algunas realizaciones, la suspensión de ánodo tiene un contenido sólido de aproximadamente el 25 % a aproximadamente el 65 %, de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 65 %, de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 60 %, de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 55 %, de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 50 %, de aproximadamente el 35 % a aproximadamente el 60 %, de aproximadamente el 35 % a aproximadamente el 50 % o de aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 55 % en peso, basado en el peso total de la suspensión de ánodo.
En algunas realizaciones, la mezcla o dispersión de la suspensión de ánodo puede realizarse mediante un mezclador agitador, una mezcladora, un molino, un homogeneizador de rotor-estator o un homogeneizador de alta presión. En realizaciones adicionales, el mezclador agitador es un agitador planetario. En determinadas realizaciones, la velocidad de rotación de las paletas de dispersión planetarias y de alta velocidad es la misma. En otras realizaciones, la velocidad de rotación de la paleta planetaria es de aproximadamente 50 rpm a aproximadamente 200 rpm y la velocidad de rotación de la paleta de dispersión es de aproximadamente 1.000 rpm a aproximadamente 3.500 rpm.
En determinadas realizaciones, el D10 de las partículas en la suspensión de ánodo es de aproximadamente 0,5 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 8 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 6 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 8 pm, de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 6 pm, o de aproximadamente 4 pm a aproximadamente 6 pm.
En algunas realizaciones, el D50 de las partículas en la suspensión de ánodo es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 25 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 25 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 20 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 25 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 20 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 18 pm, de aproximadamente 12 pm a aproximadamente 18 pm, o de aproximadamente 14 pm a aproximadamente 16 pm.
En determinadas realizaciones, el D90 de las partículas en la suspensión de ánodo es de aproximadamente 5 |jm a aproximadamente 40 jm, de aproximadamente 10 jm a aproximadamente 40 jm, de aproximadamente 10 jm a aproximadamente 30 jm, de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 40 jm, de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 35 jm, de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 30 jm, de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 28 jm, de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 26 jm, o de aproximadamente 25 jm a aproximadamente 30 jm.
El control de la viscosidad es esencial para un proceso de revestimiento. En algunas realizaciones, la viscosidad de la suspensión de ánodo es de aproximadamente 1.000 cps a aproximadamente 10.000 cps, de aproximadamente 1.000 cps a aproximadamente 8.000 cps, de aproximadamente 1.000 cps a aproximadamente 6.000 cps, de aproximadamente 1.000 cps a aproximadamente 3.000 cps, de aproximadamente 2.000 cps a aproximadamente 8.000 cps, de aproximadamente 2.000 cps a aproximadamente 6.000 cps, de aproximadamente 3.000 cps a aproximadamente 8.000 cps, de aproximadamente 3.000 cps a aproximadamente 6.000 cps, de aproximadamente 3.000 cps a aproximadamente 5.000 cps, o de aproximadamente 4.000 cps a aproximadamente 6.000 cps.
La viscosidad de la suspensión de ánodo desvelada en el presente documento se estabiliza. Las viscosidades constantes en diferentes partes de la suspensión de ánodo y un estado de dispersión uniforme en la suspensión de ánodo pueden conservarse durante mucho tiempo. Se pueden obtener distribuciones uniformes del material activo y los agentes conductores sobre todas las superficies del electrodo revistiendo el colector de corriente del ánodo con la suspensión de ánodo.
Ejemplos
Ejemplo 1
A) Preparación de una primera suspensión
Se preparó una solución dispersante disolviendo 0,1 kg de alcohol polivinílico (PVA; obtenido en Aladdin Industries Corporation, China) en 2 l de agua desionizada. La solución dispersante tenía una viscosidad de 20 cP. A continuación, se preparó una primera suspensión dispersando 0,5 kg de silicio con un tamaño de partícula de 50 nm (obtenido en CWNANO Co. Ltd., China) y 0,2 kg de negro de acetileno (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 50 nm en la solución dispersante. La primera suspensión tenía un contenido sólido del 28,6 % en peso. La primera suspensión se sometió a ultrasonicación con un equipo de ultrasonidos de 30 l (G-100ST; obtenido en Shenzhen Geneng Cleaning Equipment Co. Ltd., China) a una densidad de potencia de 20 W/L y se agitó simultáneamente con un mezclador planetario de 5 l (CM05, obtenido en ChienMei Co. Ltd., China) a 25 °C durante aproximadamente 2 horas para obtener una primera suspensión homogeneizada. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
B) Preparación de una segunda suspensión
Se preparó una solución aglutinante mezclando 0,2 kg de ácido poliacrílico (PAA, n.° 181285, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con 20 l de agua desionizada. Se preparó una segunda suspensión dispersando 0,1 kg de KS15 (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 5 jm en la solución aglutinante con un mezclador planetario de 30 l (CM30; obtenido en ChienMei Co. Ltd., China) durante 1 hora para obtener una segunda suspensión con un contenido sólido del 1,5 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
C) Preparación de una tercera suspensión
Se preparó una tercera suspensión mezclando la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión tenía un contenido sólido del 4,8 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
D) Preparación de una suspensión de ánodo
Se preparó una suspensión de ánodo mezclando 8,9 kg de grafito (n.° 282863, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con un tamaño de partícula de 15 jm con la tercera suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión de ánodo tenía un contenido sólido del 31,3% en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
E) Mediciones de las distribuciones del tamaño de partícula de la primera suspensión y la suspensión de ánodo Las distribuciones del tamaño de partícula de la primera suspensión y la suspensión de ánodo se midieron mediante un analizador de distribución de tamaño de partícula por difracción láser (Mastersizer 3000, Malvern Instruments Ltd., R.U.). Las muestras se entregaron al área de medición del banco óptico en un estado estable de dispersión. La medición de los tamaños de partícula se realizó mientras las partículas estaban lo suficientemente dispersas.
F) Montaje de celdas tipo botón
Se preparó un electrodo negativo revistiendo la suspensión de ánodo sobre un lado de una lámina de cobre que tenía un espesor de 9 pm usando una estucadora de cuchilla rascadora (obtenido en Shenzhen KejingStar Technology Ltd., China; modelo n.° MSK-AFA-III) con una densidad de área de aproximadamente 8 mg/cm2. La película revestida sobre la lámina de cobre se secó mediante una estufa transportadora calentada eléctricamente fijada a 90 °C durante 2 horas.
La lámina de ánodo revestida se cortó en electrodos negativos en forma de disco para el montaje de celdas tipo botón. Como contraelectrodo se usó una lámina de metal de litio con un espesor de 500 pm. El electrolito era una solución de LiPF6 (1 M) en una mezcla de carbonato de etileno (EC), carbonato de etil metilo (EMC) y carbonato de dimetilo (DMC) en una relación en volumen de 1:1:1. Se montaron tres celdas tipo botón CR2032 en una incubadora de guantes llena de argón.
G) Montaje de una celda tipo bolsa
I) Preparación del ánodo
La suspensión de ánodo preparada anteriormente revistió ambos lados de una lámina de cobre que tenía un espesor de 9 pm usando una máquina de revestimiento por transferencia con una densidad de área de aproximadamente 15 mg/cm2. Las películas revestidas sobre la lámina de cobre se secaron a aproximadamente 50 °C durante 2,4 minutos mediante una secadora de aire caliente con transportador de 24 metros de largo, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 10 metros/minuto para obtener un ánodo.
II) Preparación de una suspensión de cátodo
Se preparó una suspensión de cátodo mezclando el 92 % en peso de material de cátodo activo de LiMn2O4 (obtenido en HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China), el 4 % en peso de negro de carbono (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor y el 4 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF; Solef® 5130, obtenido en Solvay S.A., Bélgica) como aglutinante, que se dispersaron en una mezcla de disolventes que contenía el 50 % en peso de N-metil-2-pirrolidona (NMP; pureza de >99 %, Sigma-Aldrich, EE.UU.) y el 50 % en peso de acetona (pureza de >99 %, Sigma-Aldrich, EE.UU.) para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con un mezclador agitador planetario.
III) Preparación del cátodo
La suspensión homogeneizada se revistió sobre ambos lados de una lámina de aluminio que tenía un espesor de 20 pm como un colector de corriente usando una estucadora de cuchilla rascadora con un ancho de separación de 100 pm. La película revestida sobre la lámina de aluminio se secó mediante una estufa transportadora calentada eléctricamente a 85 °C a una velocidad del transportador de aproximadamente 8 metros/minuto para obtener un cátodo.
IV) Montaje de una celda tipo bolsa
Después del secado, la película de cátodo y la película de ánodo resultantes se usaron para preparar el cátodo y el ánodo, respectivamente, cortándolas en placas de electrodo individuales. Se montó una celda tipo bolsa apilando las placas de electrodo de cátodo y ánodo alternativamente y, a continuación, se envasaron en una cajita hecha de una película laminada de aluminio y plástico. Las placas de electrodo de cátodo y ánodo se mantuvieron separadas por separadores y la cajita se preformó. A continuación, se cargó un electrolito en la cajita que contenía los electrodos empaquetados en una atmósfera de argón de alta pureza con un contenido de humedad y oxígeno inferior a 1 ppm. El electrolito era una solución de Li PF6 (1 M) en una mezcla de carbonato de etileno (EC), carbonato de etil metilo (EMC) y carbonato de dimetilo (DMC) en una relación en volumen de 1:1:1. Después del llenado de los electrolitos, la celda tipo bolsa se selló al vacío y, a continuación, se comprimió mecánicamente usando un punzón con forma cuadrada convencional.
H) Medición electroquímica
I) Rendimiento de la tasa de descarga de las celdas tipo botón
Se evaluó el rendimiento de la tasa de descarga de las celdas tipo botón preparadas anteriormente. Las celdas tipo botón se analizaron en un modo de corriente constante usando un equipo de ensayo de baterías multicanal (BTS-4008-5V10mA, obtenido en Neware Electronics Co. Ltd., China). Después de un proceso de activación inicial a C/10 durante 1 ciclo, las celdas se cargaron completamente a una tasa C/10 y, a continuación, se descargaron a una tasa C/10. Este procedimiento se repitió descargando el módulo de batería completamente cargado a varias tasas C (1C, 3C y 5C) para evaluar el rendimiento de la tasa de descarga. El intervalo de voltaje estaba entre 0,005 V y 1,5 V. II) Rendimiento de ciclabilidad de la celda tipo bolsa
El rendimiento de ciclabilidad de la celda de tipo bolsa se probó cargando y descargando a una tasa de corriente constante de 1C entre 3,0 V y 4,2 V.
Ejemplo 2
A) Preparación de una primera suspensión
Se preparó una solución dispersante disolviendo 0,1 kg de alcohol polivinílico (PVA; obtenido en Aladdin Industries Corporation, China) en 2 l de N-metil-2-pirrolidona (NMP; pureza de >99%, Sigma-Aldrich, EE.UU.). La solución dispersante tenía una viscosidad de 20 cP. A continuación se preparó una primera suspensión dispersando 0,5 kg de compuesto de silicio y carbono con un tamaño de partícula de 50 nm (Si/C; obtenido en CWNANO Co. Ltd., China) y 0,2 kg de negro de acetileno (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 50 nm en la solución dispersante. La primera suspensión tenía un contenido sólido del 28,6 % en peso. La primera suspensión se sometió a ultrasonicación con un equipo de ultrasonidos de 30 l a una densidad de potencia de 20 W/L y se agitó simultáneamente con un mezclador planetario de 5 l a 25 °C durante aproximadamente 2 horas para obtener una primera suspensión homogeneizada. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
B) Preparación de una segunda suspensión
Se preparó una solución aglutinante mezclando 0,2 kg de fluoruro de polivinilideno (PVDF; n.° 181285, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con 20 l de N-metil-2-pirrolidona (NMP; pureza de >99%, Sigma-Aldrich, EE.UU.). Se preparó una segunda suspensión dispersando 0,1 kg de KS15 (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 5 pm (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) en la solución aglutinante con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora para obtener una segunda suspensión con un contenido sólido del 1,5 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
C) Preparación de una tercera suspensión
Se preparó una tercera suspensión mezclando la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión tenía un contenido sólido del 4,8 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
D) Preparación de una suspensión de ánodo
Se preparó una suspensión de ánodo mezclando 8,9 kg de grafito (n.° 282863, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con un tamaño de partícula de 15 pm con la tercera suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión de ánodo tenía un contenido sólido del 31,3% en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
Ejemplo 3
A) Preparación de una primera suspensión
Se preparó una solución dispersante disolviendo 0,1 kg de óxido de polietileno (PEO; n.° 181986, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) en 2 l de agua desionizada. La solución dispersante tenía una viscosidad de 20 cP. A continuación se preparó una primera suspensión dispersando 0,5 kg de compuesto de silicio y carbono con un tamaño de partícula de 50 nm (Si/C; obtenido en CWNANO Co. Ltd., China) y 0,2 kg de Super P (super P; obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 50 nm en la solución dispersante. La primera suspensión tenía un contenido sólido del 28,6 % en peso. La primera suspensión se sometió a ultrasonicación con un equipo de ultrasonidos de 30 l a una densidad de potencia de 20 W/L y se agitó simultáneamente con un mezclador planetario de 5 l a 25 °C durante aproximadamente 2 horas para obtener una primera suspensión homogeneizada. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
B) Preparación de una segunda suspensión
Se preparó una solución aglutinante mezclando 0,2 kg de ácido poliacrílico (PAA, n.° 181285, obtenido en SigmaAldrich, EE.UU.) con 20 l de agua desionizada. Se preparó una segunda suspensión dispersando 0,1 kg de KS6 (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 5 |jm en la solución aglutinante con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora para obtener una segunda suspensión con un contenido sólido del 1,5 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
C) Preparación de una tercera suspensión
Se preparó una tercera suspensión mezclando la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión tenía un contenido sólido del 4,8 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
D) Preparación de una suspensión de ánodo
Se preparó una suspensión de ánodo mezclando 8,9 kg de grafito (n.° 282863, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con un tamaño de partícula de 15 jm con la tercera suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión de ánodo tenía un contenido sólido del 31,3% en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
Ejemplo 4
A) Preparación de una primera suspensión
Se preparó una solución dispersante disolviendo 0,1 kg de carboximetilcelulosa (CMC; BSH-12; DKS Co. Ltd., Japón) en 2 l de agua desionizada. La solución dispersante tenía una viscosidad de 20 cP. A continuación se preparó una primera suspensión dispersando 0,5 kg de compuesto de silicio y carbono con un tamaño de partícula de 50 nm (Si/C; obtenido en CWNa No Co. Ltd., China) y 0,2 kg de Super P (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 50 nm en la solución dispersante. La primera suspensión tenía un contenido sólido del 28,6 % en peso. La primera suspensión se sometió a ultrasonicación con un equipo de ultrasonidos de 30 l a una densidad de potencia de 20 W/L y se agitó simultáneamente con un mezclador planetario de 5 l a 25 °C durante aproximadamente 2 horas para obtener una primera suspensión homogeneizada. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
B) Preparación de una segunda suspensión
Se preparó una segunda suspensión mezclando 0,1 kg de KS6 (obtenido en Timcal Ltd., Bodio, Suiza) con un tamaño de partícula de 5 jm con 8,9 kg de grafito (n.° 282863, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) con un tamaño de partícula de 15 jm con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora en 20 l de agua desionizada. La segunda suspensión tenía un contenido sólido del 30,8% en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
C) Preparación de una tercera suspensión
Se preparó una tercera suspensión mezclando la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión tenía un contenido sólido del 30,8 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
D) Preparación de una suspensión de ánodo
Se preparó una suspensión de ánodo mezclando 0,2 kg de caucho de estireno-butadieno (SBR; AL-2001; NIPPON A&L INC., Japón) con la tercera suspensión con un mezclador planetario de 30 l durante 1 hora. La suspensión de ánodo tenía un contenido sólido del 31,3 % en peso. La velocidad de agitación de la paleta planetaria fue de 40 rpm y la velocidad de agitación de la paleta de dispersión fue de 2500 rpm.
Ejemplo 5
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el primer agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 20 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo 6
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el primer agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 100 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo 7
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el segundo agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 1 pm en lugar de 5 pm.
Ejemplo 8
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el segundo agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 10 pm en lugar de 5 pm.
Ejemplo 9
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el material a base de silicio con un tamaño de partícula de 10 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo 10
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el material a base de silicio con un tamaño de partícula de 800 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo 11
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usaron 0,1 kg del primer agente conductor en lugar de 0,2 kg.
Ejemplo 12
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usaron 6 l de agua desionizada para preparar una solución dispersante en lugar de 2 l, se usaron 16 l de agua desionizada para preparar una solución aglutinante en lugar de 20 l y se usaron diferentes relaciones en peso de los materiales de electrodo.
Ejemplo comparativo 1
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que no se preparó una solución dispersante, y el material a base de silicio y el primer agente conductor se dispersaron en agua desionizada para formar una primera suspensión.
Ejemplo comparativo 2
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 3 excepto que el segundo agente conductor se añadió en el primer disolvente en lugar del segundo disolvente. Se preparó una primera suspensión dispersando el material a base de silicio, el primer y el segundo agentes conductores en la solución dispersante.
Ejemplo comparativo 3
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 3 excepto que el primer agente conductor se añadió en el segundo disolvente en lugar del primer disolvente. Se preparó una segunda suspensión dispersando el primer y segundo agentes conductores en la solución aglutinante.
Ejemplo comparativo 4
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 3 excepto que no se añadió un segundo agente conductor al preparar la segunda suspensión y se usaron 0,3 kg del primer agente conductor en lugar de 0,2 kg.
Ejemplo comparativo 5
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que no se añadió un primer agente conductor al preparar la primera suspensión y se usaron 0,3 kg del segundo agente conductor en lugar de 0,1 kg.
Ejemplo comparativo 6
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el primer agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 5 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo comparativo 7
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el primer agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 300 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo comparativo 8
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el segundo agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 0,7 pm en lugar de 5 pm.
Ejemplo comparativo 9
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el segundo agente conductor que tenía un tamaño de partícula de 15 pm en lugar de 5 pm.
Ejemplo comparativo 10
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el material a base de silicio con un tamaño de partícula de 1 nm en lugar de 50 nm.
Ejemplo comparativo 11
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usó el material a base de silicio con un tamaño de partícula de 1 pm en lugar de 50 nm.
Ejemplo comparativo 12
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usaron 1 kg del primer agente conductor en lugar de 0,2 kg.
Ejemplo comparativo 13
Se preparó una suspensión de ánodo mediante el método descrito en el Ejemplo 1 excepto que se usaron 0,4 kg del segundo agente conductor en lugar de 0,1 kg.
Preparación de celdas tipo botón de los Ejemplos 2-12 y los Ejemplos comparativos 1-13
Se prepararon celdas tipo botón mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Preparación de celdas tipo bolsa de los Ejemplos 2-12 y los Ejemplos comparativos 1-13
Se prepararon celdas tipo bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Mediciones de distribuciones del tamaño de partícula de la primera suspensión y suspensiones de ánodo de los Ejemplos 2-12 y los Ejemplos comparativos 1-13
Las distribuciones del tamaño de partícula de la primera suspensión y las suspensiones de ánodo se midieron mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Mediciones electroquímicas de celdas tipo botón y celdas tipo bolsa de los Ejemplos 2-12 y los Ejemplos comparativos 1-13
El rendimiento electroquímico de las celdas tipo botón y las celdas tipo bolsa se midió mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Las formulaciones de las soluciones dispersantes y las primeras suspensiones de los Ejemplos 1-3, 5-12 y los Ejemplos comparativos 1.4-13 se muestran en la Tabla 1 a continuación. Las formulaciones de las segundas suspensiones y las suspensiones de ánodo de los Ejemplos 1-3, 5-12 y los Ejemplos comparativos 1, 4-13 se muestran en la Tabla 2 a continuación. Las distribuciones del tamaño de partícula de las primeras suspensiones y las suspensiones de ánodo de los Ejemplos 1-12 y los Ejemplos comparativos 1-13 se muestran en la Tabla 3 a continuación. El rendimiento de la tasa de descarga de las celdas tipo botón y el rendimiento de ciclabilidad de las celdas tipo bolsa de los Ejemplos 1-12 y los Ejemplos comparativos 1-13 se muestran en la Tabla 4 y 5 a continuación, respectivamente.
Las suspensiones de ánodo preparadas mediante los métodos descritos en los Ejemplos 1-12 produjeron distribuciones del tamaño de partícula más controladas. Las celdas tipo botón de los Ejemplos 1-12 mostraron un rendimiento de la tasa excelente a tasas de descarga bajas y altas. Además, las celdas tipo bolsa de los Ejemplos 1-12 mostraron una excelente ciclabilidad.
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Tabla 3
PSD de la primera suspensión (nm) PSD de la suspensión de ánodo (iim) D10 D50 D90 D10 D50 D90 Ejemplo 1 15 45 80 4,5 14,7 25,3 Ejemplo 2 17 46 78 5,1 15,8 27,3 Ejemplo 3 13 50 86 5,6 15,3 26,7 Ejemplo 4 15 48 83 4,9 15,7 24,8 Ejemplo 5 11 40 70 4,9 15,1 24,1 Ejemplo 6 31 89 112 5,4 15,9 24,7 Ejemplo 7 16 50 80 6,3 16,2 25,1 Ejemplo 8 15 45 84 5,8 16,4 27,5 Ejemplo 9 10 37 66 5,7 15,4 26,3 Ejemplo 10 270 782 1.053 5,3 16,1 26,8 Ejemplo 11 15 46 87 5,8 15,7 27,2 Ejemplo 12 16 45 83 5,1 15,1 27,9 Ejemplo comparativo 1 35 220 468 7,9 18,6 32,5 Ejemplo comparativo 2 1.650 5.120 7.130 8,2 19,3 41,2 Ejemplo comparativo 3 16 55 81 7,6 17,3 32,4 Ejemplo comparativo 4 19 49 79 6,8 16,2 31,3 Ejemplo comparativo 5 21 54 84 7,1 17,5 32,5 Ejemplo comparativo 6 6 31 63 7,2 17,8 33,6 Ejemplo comparativo 7 124 295 530 6,8 17,1 34,8 Ejemplo comparativo 8
Figure imgf000025_0001
17 49 84 6,7 18,1
Figure imgf000025_0002
31,8 Ejemplo comparativo 9 18 50 90 7,9 19,8 41,5 Ejemplo comparativo 10 4 20 49 6,8 17,4 34,5 Ejemplo comparativo 11 358 983 2.113 7,1 17,5 32,8 Ejemplo comparativo 12 25 57 128 6,7 17,2 33,1 Ejemplo comparativo 13 18 47 79 7,1 18,0 35,1
Tabla 4
Rendimiento de la tasa de descarga (%)
1C 3C 5C
Ejemplo 1 90,1 74,8 61,5
Ejemplo 2 90,3 75,1 62,1
Ejemplo 3 89,7 73,5 60,3
Ejemplo 4 89,1 74,1 60,1
Ejemplo 5 88,7 73,5 60,2
Ejemplo 6 88,9 73,9 61,3
Ejemplo 7 89,2 75,2 62,1
Ejemplo 8 89,1 76,1
Figure imgf000025_0003
61,9
Ejemplo 9 89,3 74,5 61,3
Ejemplo 10 88,5 74,1 63,2
Ejemplo 11 89,9 74,9 61,4
Ejemplo 12 88,9 73,5 60,5
Ejemplo comparativo 1 84,2 62,3 43,2
Ejemplo comparativo 2 86,8 68,2 50,1
Ejemplo comparativo 3 85,1 63,3 46,1
Ejemplo comparativo 4 86,0 64,5 47,2
Ejemplo comparativo 5 85,2 61,8 46,8
Ejemplo comparativo 6 86,3 62,1 46,9
Ejemplo comparativo 7
Figure imgf000025_0006
85,7
Figure imgf000025_0004
63,4
Figure imgf000025_0005
47,1
Ejemplo comparativo 8 84,9 64,7 44,1
Ejemplo comparativo 9 81,7 60,2 42,1
Ejemplo comparativo 10 86,2 63,3 43,7
Ejemplo comparativo 11 85,9 63,4 45,9
Ejemplo comparativo 12 83,2 61,7 44,1
Ejemplo comparativo 13 82,7 63,8 45,9
Tabla 5
Vida útil (80 % de retención de capacidad)
Ejemplo 1 1.560
Ejemplo 2 1.420
Ejemplo 3 1.610
(continuación)
Vida útil (80 % de retención de capacidad)
Ejemplo 4 1.500
Ejemplo 5 1.480
Ejemplo 6 1.530
Ejemplo 7 1.410
Ejemplo 8 1.520
Ejemplo 9 1.480
Ejemplo 10 1.470
Ejemplo 11 1.540
Ejemplo 12 1.460
Ejemplo comparativo 1 750
Ejemplo comparativo 2 920
Ejemplo comparativo 3 1.020
Ejemplo comparativo 4 1.210
Ejemplo comparativo 5 1.240
Ejemplo comparativo 6 1.140
Ejemplo comparativo 7 1.110
Ejemplo comparativo 8 1.040
Ejemplo comparativo 9 900
Ejemplo comparativo 10 1.010
Ejemplo comparativo 11 820
Ejemplo comparativo 12 860
Figure imgf000026_0001
Ejemplo comparativo 13 780
Aunque la invención se ha descrito con respecto a un número limitado de realizaciones, las características específicas de una realización no deben atribuirse a otras realizaciones de la invención. En algunas realizaciones, los métodos pueden incluir numerosas etapas no mencionadas en el presente documento. En otras realizaciones, los métodos no incluyen, o están sustancialmente exentos de, cualquier etapa no enumerada en el presente documento. Existen variaciones y modificaciones de las realizaciones descritas. Las reivindicaciones adjuntas pretenden cubrir todas esas modificaciones y variaciones como dentro del alcance de la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para preparar una suspensión de ánodo, que comprende las etapas de:
1) mezclar un dispersante con un primer disolvente para formar una solución dispersante;
2) dispersar un material a base de silicio y un primer agente conductor en la solución dispersante para formar una primera suspensión;
3) homogeneizar la primera suspensión mediante un homogeneizador para obtener una primera suspensión homogeneizada;
4) mezclar un material aglutinante con un segundo disolvente para formar una solución aglutinante;
5) dispersar un segundo agente conductor en la solución aglutinante para formar una segunda suspensión; 6) mezclar la primera suspensión homogeneizada con la segunda suspensión para formar una tercera suspensión; y
7) mezclar un material de carbono activo con la tercera suspensión para formar la suspensión de ánodo; en donde el primer agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, negro de carbono, negro de acetileno, Super P, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado, carbono mesoporoso y combinaciones de los mismos;
en donde el tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 100 nm;
en donde el tamaño de partícula del segundo agente conductor es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm;
en donde el tamaño de partícula del material a base de silicio es de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 800 nm; y
en donde el tamaño de partícula del primer agente conductor es menor que el tamaño de partícula del segundo agente conductor, estando determinados los tamaños de partícula del primer y del segundo agentes conductores y del material a base de silicio a través de análisis de difracción láser.
2. El método de la reivindicación 1, en el que el dispersante se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, óxido de polietileno, óxido de polipropileno, polivinilpirrolidona, celulosa polianiónica, carboxilmetilcelulosa, hidroxietilcelulosa, carboximetilhidroxietilcelulosa, metilcelulosa, almidón, pectina, poliacrilamida, gelatina, ácido poliacrílico y combinaciones de los mismos.
3. El método de la reivindicación 1, en el que la viscosidad de la solución dispersante es de aproximadamente 10 cps a aproximadamente 2.000 cps, según lo medido con un viscosímetro.
4. El método de la reivindicación 1, en el que cada uno del primer y del segundo disolventes se selecciona independientemente del grupo que consiste en agua, etanol, isopropanol, metanol, acetona, n-propanol, t-butanol, N-metil-2-pirrolidona y combinaciones de los mismos.
5. El método de la reivindicación 1, en el que el material a base de silicio se selecciona del grupo que consiste en Si, SiOx , Si/C, SiOx/C, Si/M y combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0 a 2; M se selecciona de un metal alcalino, un metal alcalinotérreo, un metal de transición, un metal de tierras raras o una combinación de los mismos, y no es Si.
6. El método de la reivindicación 1, en el que la distribución del tamaño de partícula de la primera suspensión tiene un valor D10 en un intervalo de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 100 nm, un valor D50 en un intervalo de aproximadamente 30 nm a aproximadamente 2 pm, y un valor D90 en un intervalo de aproximadamente 70 nm a aproximadamente 3 pm, y en donde la relación de D90/D50 de la distribución del tamaño de partícula es inferior a 2:1, siendo los valores D10, D50 y D90 determinados a través de análisis de difracción láser.
7. El método de la reivindicación 1, en el que el segundo agente conductor se selecciona del grupo que consiste en carbono, grafito conductor, fibra de carbono de crecimiento al vapor, KS6, KS15, grafito expandido y combinaciones de los mismos.
8. El método de la reivindicación 1, en el que el material de carbono activo se selecciona del grupo que consiste en carbono duro, carbono blando, grafito, microesferas de mesocarbono y combinaciones de los mismos, y en donde el tamaño de partícula del material de carbono activo es de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 20 pm, según lo determinado a través de análisis de difracción láser.
9. El método de la reivindicación 1, en el que la relación del tamaño de partícula del segundo agente conductor con respecto al tamaño de partícula del primer agente conductor es de aproximadamente 20:1 a aproximadamente 250:1, estando determinados los tamaños de partícula del primer y del segundo agentes conductores ambos a través de análisis de difracción láser.
10. El método de la reivindicación 1, en el que la relación en peso del material a base de silicio con respecto al primer agente conductor es de aproximadamente 1.7:1 a aproximadamente 5:1.
11. El método de la reivindicación 1, en el que la relación en peso del primer agente conductor con respecto al segundo agente conductor es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 2:1.
12. El método de la reivindicación 1, en el que la cantidad del material a base de silicio es de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 20 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
13. El método de la reivindicación 1, en el que la cantidad del primer agente conductor y del segundo agente conductor en la suspensión de ánodo es superior o igual al 3 % en peso, basado en el peso total del contenido sólido en la suspensión de ánodo.
14. El método de la reivindicación 1, en el que la suspensión de ánodo tiene un contenido sólido de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 65 % en peso, basado en el peso total de la suspensión de ánodo.
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